（机械电子工程专业论文）薄壁黄铜管回缩增厚的自动化加工系统设计.pdf

摘要 许多的管加工企业为了节约资源和成本，希望在满足强度的前提下尽量采用最薄管件作为加 工原件，但由于要进行局部切屑加工，致使原本强度刚好合适的工件在的局部切屑后造成该部的 强度不够这样，为了保证局部切屑后的强度，我们需要将该部位的管壁加厚，本课题就是应这 种需求而产生的，具有一定的针对性和现实意义。 本论文是围绕薄壁黄铜管两端回缩增厚这个目标来展开研究的。首先，我们经过全面的分析 和权衡各种加工方法之后，最终选用了热挤压工艺来实现这一目标，然后认真研究了工件材料的 塑性变形规律，并针对局部挤压塑性变形的特点和原理，设计了加工机构方案及相应的机械加工 机构和控制系统。 。 在机械机构的设计中，根据工件的材料特性和加工的对称性，并充分考虑到生产效率、经济 性和实用性等诸多要素，采用了环形流水线和对称加工的理念。设计了包括模具、夹具、加热器、 送料装置等在内的一系列器件。在控制系统的设计中，我们采用了模块化的控制思想，使得每个 单元控制系统变得简单，而且便于系统功能的扩展和升级，增加每个单元的独立性 此外，我们还利用a n s y s 有限元分析软件对工件加热后的温度场和热挤压过程进行了数值 模拟，从数值模拟结果中我们得到了工件加热后的温度分布以及工件加工部分的实际变形趋势， 模拟结果显示，实际变形符合理想的塑性变形趋势，论证了方案的可行性；同时也根据模拟结果 对初始的模具方案进行了改进。 关键词：黄铜管；熟挤压；回缩增厚； 有限元分析；塑性变形 a b s t r a c t f o rt h es a k eo f & a v i n gt h em a t e r i a l - e 刚m h 淄觚dc o s t s , m a n ye l l t e r p r i s c s , w h i e l ap r o c e s sp i p e s , w a n tt op t t r e h a s et h et h i t m e s tp i p t h eo r i g i n a lo l , j e c t , w h i l el b ep i p e sm s a t i s f y i n gt h e h n i o f t h es t r e n g t h b u tb e e a u o f c u r l i n gp a r to f m a t e r i a l0 1 1t h ep i p ew h e i li t s 珥镕e d t h es t r e n g t ho f t l u l t p r o c e s s e dp i e c ei sn o ta a o u g l a s ow 弓h t om a k et h ew a l lo f t h ep i p et h a tw a l lp l o s s e dt h i c k e r t h i s t o p i ci sb i r t ha lt h er e q u e s to f t l m tc o n d i t i o n , w h i c hi sv e a ym e a n i n g f l l l t h i st h e s i sw a l lr e s e a r c h e da r o u n dt t a ct a r g e to fm a k i n gt h ew a l lo fb o t he n d so ft h eb r a s sp i l , e t h i c k e r a t 五赋啪c h o s et h ec r a t to f h e a ts q u e e z e st or e a l i z et h i st a r g e ta f t e rn l y m ge n o u g hf a c t s t h e nw cr e s e a r c h e dt h er e g u l a t i o no ft h op l a s t i ct r a n s f o r mo fb r a s sp i p e s , dd e s i g n e dt h es y s t e m p r o j e c ta n dh o m o l o g o u sm a c h i n e sa n dc o n t r o l l i n gs y s t 咖，w h i e l aw a l ln e e o r d i n gt o 曲ed m a e t e r i s t i e s 锄d p r i n c i p l e s o f t h e p a r ts q u e e z e s p l a s t i c t r a m f o r m i nm ed e s i g no ft l a cm a e h i n oo t l g a n i z a t i o n , a c c o r d i n gt ot h em a t e r i a le l u m l e t e r i s t i co ft h eb r a s s p i r , a n dt h es y m m e t r yo f l , r o c , 刚p a r t , dc o n s i d e r i n gt h ee f f i c i e n c yo f p r o c e s s i n g , e c o n o m ya n d f t m e t i o n 。e t e ，a d o p tt l a ep r o c e s si d 龃o f e i r e l on 啪l i n c 姐ds y m m e t r yp l _ o 嘲毛a n dd e s i g n e da s e r i a l o fm a c h i n ep i e c e si n d u d ot h em o l d i n gt o o l , t o n g s , h e a t i n ga l 巾帅蛆di t l ca u t o m a t i cd e v i c eo f s e n d i n gp r o c e s s e do l , j 。c te 蛾i nt h ed e s i g no fc o “t r o u i n gs y s t 锄啪a d o p t e dt h ei d e ao fd i s p 商o n c o n t r o l , w h i e l ac mm d k ce a c hu n i to f t h ec o n t r o l l i n gs y s t e ms i m p l e r , a n d e a s yt oe x l x m dt h ef u n c t i o no f s y s t e m ，m a k i n ge a e l au n i ti n o i l ei n d 印c - n d c n t i na d d i t i o n , w ea p p l i e dt h ea n s y $ s o f t w a r et oa l y z et h er e g u l a t i o no f t e m p e r a t u r ef i e l do nt h e h e a t e dp i p e sa n dt l a op r o c e s so fs q u z i n g bg o tt h et e m p e r a t l l r cd i s t r i l m t co nt h ep i p e sa n dt h er e a l 乜a m f o r m 咖do ft h ep r o c c s s e dp a r to fp i le s , 1 dt l a ea n a l y z ol r c s u l t l ls h o w ：t h er e a lt r a n s f o r mi sf i t w i t ht h ei d e a lt r a n s f o r mt r o d , a n di tc e r t i f i c a t e dt t l cp o s s i b i l i t yo f t h ep r o c e p r o j e c t w ei m p r o v e dt h e m o l d i n g t o o lp r o j c c ta e c o r d i n gt ot h ee m u l a t i o n k c y w o r d s ：b r a s s p i p c ；h e a ts q u e e z e ； l h i e k e n b y c o m p r i s i n g ；f e a ；l l a s t i e i r a m f o r m 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意 研究生签名：枷爻孑 时间：岬年后月缈日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容 研究生签名；冲力如彳和 导师签名：) 司i 簧 时问：岬年6 月咿 时间：叩年占月- 牛日 2 0 0 7 年5 月 中国农业大学硕士论文 第一章绪论 1 1 选题背景 第一章绪论 一直以来，铜质材料以它优越的性能而广泛运用于社会各行各业中，但我国的铜矿资源比较 匮乏，再加之铜质材料的冶炼和加工也比较复杂，所以在价格上相对于其他常见的金属来说比较 昂贵，导致生产成本很高。所以铜材料加工企业为了提高经济效益，减少材料的消耗，试图在保 证强度的前提下，尽量采购用材最少的加工原件 本课题就是在这样的背景下产生的它来源于深圳一家弯管接头加工企业，这家企业就采用 了图1 1 1 所示的外径为2 0 5 m m ，壁厚只有0 8 m m 的h 6 2 黄铜管作为加工原件现在要在其两 端套螺纹，然后弯曲一个角度，做成一个弯管接头。该企业原来基本上是用手工来加工的，生产 效率很低，而且在实际加工中也发现有两大问题 一是，如果直接在这种管的两端上套螺纹，原本强度刚好合适的铜管，由于套螺纹时存在金 属的切削，使得套螺纹段的管壁更薄了，往往造成这一段强度不够承受管内液体的压力，这就成 为了废品，给企业带来了巨大的经济损失 二是，由于管壁非常薄，铜管在弯曲的时候很容易形成凹瘪等缺陷 从第一个问题分析出，要想保证加工段的强度，唯一的办法就是将加工段的管壁加厚一点 但由于弯管接头是标准件，加工部分套螺纹后要与其他零件相配合的，所以管两端的外径是不能 变的，即始终为巾2 0 5 m m 所以只好使管壁沿径向向里增厚，按照厂方的要求，管两端的壁厚由 原来的0 s m m 增厚到1 5 n m l ，如图1 i 2 所示整个大课题主要就是围绕解决上面两大问题而展 开的，本论文仅探讨第一个问题，即如何实现两端管壁沿径向向里增厚 图1 1 t 警毛坯件 2 3 5 i 2 - - 1 4 0 - n p r 图i 1 2 管接头成品 中国农业大学硕士论文 第一章绪论 1 2 管壁增厚工艺方法的介绍及其选择 要实现管壁沿径向向里增厚这样一个目标，方法和途径很多总的说来有两个方向，一个是 微观方向，一个是宏观方向 微观方向，即采用与h 6 2 黄铜成分相同的微观粒子，让这些微观粒子沉积或吸附在管的表面 上实现增厚的目的常见的有离子沉积，电镀、气相沉积等方法，但这类方法有许多共同的缺点： 首先，这类方法通常运用在单一元素的材质上。所以对于h 6 2 黄铜这样一种含有多种成分的合金 材料，在成分配置上就难以实现的，这样新形成的金属层就与原材质不一致而出现分层现象，质 量上就很难保证了；其次，这类方法的设备都比较复杂，价格昂贵，在成本上也是不合算的 宏观方向，即利用原材料进行机械上的加工来达到管壁增厚的目的常见的有焊接、塑性变 形等方法焊接就是将黄铜管加工段的那部分截下来，然后经过增厚和套螺纹后，再将其焊接在 未加工段，或者寻找一段与原黄铜管内径大小相等的黄铜管直接焊接上去这样做使得增厚加工 变得相对简单许多，但焊接后的工件无论在质量上还是在外观上都很难达到预定的要求，而且由 于管的外径很小，管壁很薄，操作起来不是很方便。焊接的效率很低 塑性变形方法是当前机械加工领域里最常用，也是最受欢迎的方法，它具有许多突出的优点： ( 1 ) 能稳定地发生永久变形而不破坏其完整性 ( 2 ) 塑性变形后的工件尺寸精度高，强度和硬度上升，所以加工后的工件质量好 ( 3 ) 塑性变形加工简单，容易实现自动化，效率高。 ( 4 ) 依靠体积转移来实现加工，不产生材料切屑，材料利用率高 从上面的分析可以看出，塑性加工具有许多独特的优点，更重要的是，h 6 2 黄铜有变形黄铜 之称，塑性比较好，所以采用塑性加工的方法无疑是最佳选择我们知道，塑性加工又分体积变 形和板料变形，显然，铜管的回缩增厚属于前者在体积变形方法中适合课题要求的只有锻压和 挤压两种方法 广义的锻压是指在外力作用下使金属材料产生塑性变形，从而获得具有一定形状和尺寸的毛 坯或零件的加工方法实际上锻压是凭借模具庞大的质量，在外力的作用下产生一定的加速度， 然后作用在静止的工件上产生冲击力，凭此冲击力来改变工件的厚度或截面形状锻压分为自由 锻和模锻。锻压加工的特点是生产效率高、能量利用率高，但同畦它的缺点也很显著，由于模具 质量庞大，产生的冲击力很大，因此很难加工小型件和薄壁件，而且模具容易损坏 挤压是将金属毛坯放入模具模腔里，在强大的压力和一定的速度下，迫使金属沿模腔的形状 流动，从而获得所需形状、尺寸和一定力学性能的挤压件的一种加工方法“它与锻压的区别的 是，模具与工件接触的部分在作用力方向上的没有相对运动，而是紧贴工件，因此不是依靠冲击 力来加工的，而是靠静压力挤压加工的优点是，可以加工比较复杂形状的工件，生产出来的工 件尺寸精度很高，工件质量好，由于其在加工过程中没有冲击力，所以特别适合薄壁件、小型件 的加工同时也因此所需要的挤压力很大，这是挤压加工的一大弱点。 本课题的加工对象是壁厚只有0 8 m m 、外径仅2 0 5 m m 的h 6 2 黄铜管，既是薄壁件，又是小 型件，而且还是黄铜管两端都沿径向向里增厚，变形比较复杂根据加工对象的这些特点，再结 合上面的分析，采用挤压工艺是最佳的选择。 2 中国农业大学硕士论文第一章绪论 1 3 课题研究的主要内容 这里我们采用先总后分的设计思路，因此要首先确定整个课题的总体方案根据机械设计的 基本知识，要想将图1 1 ，1 所示的工件加工成图1 1 2 所示的成品，至少要经过下料、管两端增厚、 加工螺纹、弯曲这样四个基本工艺的过程。在上一节我们确定了用挤压工艺实现管壁的增厚，由 于是局部挤压，所以为了造成同一工件不同部位的强度差，有必要将加工部分加热这样的话。 热挤压后的工件还保持较高的温度。所以工件必须进行冷却才能加工螺纹而加工螺纹的方式有 套螺纹、车螺纹、攻螺纹等，对于本课题中的薄壁黄铜管来说，适合采用套螺纹弯曲过程只有 弯曲一种工艺。由此，我们就确定了整个加工系统的工艺流程如图l - 3 ，1 所示。 田 3 整个加工系统工艺漉程 在布置这些工艺的时候，考虑到生产效率和工件加工部分的特点我们采用了流水线设计理 念，设计出的加工系统方案如图1 3 2 所示该加工系统由两条一模一样的流水线组成，每条流 水线由送料机构( a ) 、挤压机构( c ) ，冷却机构( g ) 、套螺纹机构( d ) 、弯曲机构( o 、带夹具的小车 ( b ) 和环形轨道( h ) 共七部分组成，分成送料位( a ) 、热挤压但) 、冷却( c ) 、套螺纹) ，弯曲+ 卸料饵) 这样五个工位小车上的夹具在送料工位夹持工件后，在小车的运载下依次移动到各个 加工工位实现加工，当小车移动到最后一个工位，印弯曲工位时，机械手会把工件从小车的夹具 上取走，弯曲工位加工完工件后自动卸料小车过了弯曲工位后变成了空车。继续移动到第二条 流水线的开始位置，又重新取料，这样就可以实现循环往复地加工 送料机构h 带夹具的小车a 挤压机构d 套螺纹机构黄铜管弯曲机构亭冷却水喷头k 导轨 图 3 2 加工系统总体方案豳 这里采用环形加工线具有一系列突出的优点，一是小车可以在环形生产线上实现循环移动。 从而可以实现全自动的循环加工；二是这样的生产线上可以安捧很多的小车，每个工位可以同时 工作，这样大大提高了加工效率 3 中国农业大学硕士论文 第一章绪论 整套加工系统采用的控制模式如图i 3 3 所示，我们将整个控制系统分成四个独立的系统， 一个是送料机构和挤压机构的控制系统：第二个是冷却机构和套螺纹机构的控制系统；第三个是 弯曲机构和卸料机构的控制系统；第四个是小车和夹具的控制系统。采用模块化控制系统的理由 是： ( 1 )可以使得每个模块的控制系统简单化，提高每个模块的独立性 ( 2 )与前面的加工系统方案相配合，可以实现整个系统实时多任务工作，提高整个系统 的效率 系统通过控制小车之间的距离，就可以控制加工的密集性，避免出现小车扎推或某个工位加 工过快的现象，所以工位之间不需要什么联系，只需要小车之间以及小车和工位之间能够实现信 息的传达就可以了小车带动夹具是移动的，小车与工位控制系统之间的通信可以有以下几种方 法可以实现。一种是通过r s - 2 3 2 进行串行通信，当小车移动到某个工位时与该工位的信号线接 上，这样就可以实现串行通信了，该工位完成加工任务后小车离开，信号自动断开另外一种就 是采用无线通信的方式。比如射频通信考虑到简单实用性，这里采用了第一种方案，即串行通 信的方式来实现的各小车上安装了超声波传感器，因此可以探测到是否快接近前面的小车，如 果有，就等待，直到前面的小车离开 图1 3 3 各控制系统之间的相互关系 由于整个系统的设计任务量较大，课题组是分工合作的，我所负责的是图1 3 2 中的a 、b 两个工位因此，本课题研究的主要内容就是，根据工件的特点和加工系统总体方案的要求，仔 细研究热挤压塑性变形规律，然后针对变形规律设计挤压加工机构方案，最终设计出包括模具， 夹具，加热器，送料机构在内的机械机构及相应的控制系统，从而自动化实现黄铜管两端的管壁 沿径向向里增厚，加工后的工件如图1 3 4 所示 图1 3 4 两端实现增厚后的黄铜管示意图 1 4 管壁挤压回缩增厚技术研究与发展现状 挤压技术是塑性变形加工领域中的一个重要分支，由于本身加工的特点使得它在精密件、薄 4 中国农业大学硕士论文 第一章绪论 | 墨皇皇曼曼曼董皇曼苎皇詈鼍詈曼詈鼍皇量皇量量曼量毫曼曼曼曼曼皇皇詈寞皇皇蔓曼皇詈量曼曼曼蔓曼曼皇曼曼皇曼寡曼皇皇寞量詈毫皇量奠詈蔓量墨i 壁件、复杂件和小型件的加工中具有举足轻重的地位，在现代制造业中发挥着重大作用 挤压技术是伴随西方工业革命时开始发展的，大约在1 7 9 7 年英国人布拉曼设计了世界上第一 台铅挤压的机械式挤压机，1 8 2 0 年英国人托马斯( b t h o m e a ) 设计了世界上首台铅管挤压机，1 8 7 0 年英国) u i a i n e s 发明了铅管反向挤压法，1 8 7 9 年法国的b o r e l ，德国的w e s s l o w i 先后发明了铅包覆 电缆生产工艺，开创了挤压法制备复合材料的历史先河，大约在1 8 9 3 年英国人j r o b e r t s o n 发明了 静液挤压法，1 8 9 4 年英国人g 丸d i c k 设计了第一台可挤压熔点和硬度较高的黄铜和其他铜合金材 料的挤压机，1 9 0 3 年美国人g w l e e 申请了铝、黄铜的冷挤压机发明专利，1 9 1 0 年出现铝合金挤 压机，1 9 2 7 年出现了可移动挤压筒、并采用电磁感应加热技术的挤压机，1 9 3 0 年德国出现了钢的 热挤压，大量用于制造钢弹壳，在第二次世界大战中产生了巨大反响；1 9 4 1 年美国人s t o u t 用铜粉 直接挤压成产品，开创了粉末挤压成型的先河；1 9 6 5 年德国) , _ r s c h n e r d e r 发表了等温挤压的实验 结果；1 9 7 1 年英国人d g r 申请了c 0 栅m n 连续挤压专利“2 0 世纪8 0 # 代开始，随着世界工业 技术发展的突飞猛进，挤压运用的领域更加广泛，挤压工件也变得复杂化、精密化；特别是建筑、 运输、电子电器等行业对铝合金型材和钛合金器材的需求急剧膨胀，使得铝、钛等轻合金的挤压 成为当今挤压领域里的一大热点此外，在这一时期，塑性变形理论分析的手段发展比较迅速， 特别是随着当代计算机技术的发展，出现了以专业的有限元分析软件技术进行力学建模和数值分 析，打破了常规的单靠试验来检验的思维模式这样，缩短了从理论到实际产品转化的时间，减 少了中间成本这对于包括挤压技术在内的所有塑性变形技术的发展来说具有里程碑式的作用。 在我国挤压技术起步的比较晚了。在近代才出现铅的挤压加工，到五十年代才开始铝、铜及 其合金的冷挤压但经过改革开放后几十年的努力，通过不断地吸收国外的技术和经验，差距在 一步一步缩小许多高校和企业在挤压技术上作了很多的研究例如：中南大学材料科学与工程 学院的林高用、周佳等人研究了纯铜管热挤压过程的塑性变形规律，得出了随着挤压速度的提高， 变形材料内部的温升和等效应变速率明显提高等结论；上海交通大学塑性成形工程系的洪慎章 教授研究了铜管接头冷挤压工艺及模具设计，分析出了采用冷挤压工艺代替切削加工生产铜管接 头的优点及其生产加工方法 从上面可以看出，国内外挤压技术发展的总体趋势是，由硬度或强度低的金属向高强度高硬 度的金属发展、由截面简单的挤压件向截面复杂的挤压件发展、由单一方式向多元化发展、由冷 挤压向热挤压方向发展；尺寸开始大范围化，向微型和大型两个方向发展；挤压件开始精密化 在挤压技术发展的历程中，出现了正挤压，反挤压、侧挤压、静液挤压，连续挤压、等温挤压等 多种方法，但它们都有个共同的特点就是，都局限在从挤压筒一端把材料放进去、然后从筒的 另一端开e l 处挤出想要的断面形状的产品这样的一种加工模式，如图1 4 1 所示这种模式适用 于整体变形领域，对局部变形就无能为力了，所以国内外研究管壁局部挤压回缩向里增厚的资料 很少见 我们知道，除了挤压工艺外还有一些方法也可以实现管壁的变形加工，例如镦粗 山东大学的刘伟强教授研究了厚壁管双向扩口镦粗成形工艺，研究了如何实现厚壁管两端 等厚度扩径虽然他研究的是管两端都需要扩径，与本课题有点类似的地方，但管壁是等厚变形 的，而且外径和内径都同时扩大，采用的工艺方法是镦粗 东南大学材料科学与工程系牟华、高锦张等人研究了冷锻过程局部镦粗的规则，虽然研究 的是管的局部镦粗，但工件是往外变形的，采用的工艺方法也是镦粗。 5 中国农业大学硕士论文第一章绪论 东风公司锻造厂技术开发部的陈学慧管坯镦租工艺”，研究的也是保持内径不变，外径增大 的工艺方法，而且也是单端的，如图1 4 2 所示，采用的方法也是镦租 田1 典型挤压模型图图1 2 扩外径的镦租件 综上，无论从哪个角度来看，国内外对大口径的管壁镦粗增厚方面研究的多，而且大多还仅 是单端加厚，或者沿径向向外加厚、或整体加厚，很少像本课题这样集成了微型件、壁薄、局部 变形、两端都要沿径向向里增厚，保持外径不变等多重困难于一身，而且由于工件的尺寸小，管 壁薄，所以又不得不采用挤压工艺来实现，这种情况在国内外还从来没有研究过 1 5 课题研究的意义 ( 1 ) 本课题研究的是如何通过挤压方法实现铜管两端的管壁都沿径向向里增厚，不同于常规 的挤压加工模式，是挤压工艺方法的一个创新应用；与常见的管壁单端增厚、沿径向向外增厚、 自由镦粗也有较大的区别，在实现上困难更大目前，国内外在这一方面的研究比较少，所以本 课题的研究丰富了挤压技术和管壁回缩增厚技术，具有一定的理论意义和现实意义 ( 2 ) 在满足强度条件下，研究如何实现利用最有限的材质加工出合格的产品，这有利于资源 的合理利用、节约成本和提高企业的经济效益根据图1 1 2 我们来计算一下采用增厚工艺后的 用材要比没有采用该工艺的用材节约多少： 艿：虽 二生；! 丝：垒兰延q ：! 二! ! ：12 = 兰兰! ! ：! 笔垒壁：! ：= ! ! ：! ：! 二! ! ! ：! ! 垒q ：! = ! ! ：! ：j k 1 5 4 6 1 2 0 5 2 一1 7 5 。 ：176246-3078-8043904369 1 7 6 2 4 6 这个数目是相当可观的。在如今资源日益匮乏时代，这种理念具有重要的实际意义 6 中国农业大学硕士论文 第二章工件塑性变形性能分析 2 1 引言 第二章工件塑性变形性能分析 在绪论中我们确定了用挤压工艺方法来实现管壁沿径向向里增厚，而挤压工艺是塑性变形领 域里的一种，它遵循塑性变形的所有规律所有金属塑性加工都是以塑性为前提，塑性是指固体 金属在外力作用下能稳定地产生永久变形而不破坏其完整性的能力“1 研究金属塑性的目的是为 了探索金属塑性变形的变化规律，以寻求改善金属塑性的途径，选择合理的加工方法、确定最适 宜的工艺制度，以及为选择最佳的加工温度、变形速率以及如何提高产品的质量提供理论依据 因此，研究材料的塑性变形性能是工件进行塑性加工前必须经历的一个环节，对整个设计具有重 大的意义 我们知道，塑性变形性能是内在因素和外部因素共同起作用的结果，所以我们要从这两大方 面来全面考虑和分析。 2 2 内部因素对工件塑性变形性能的影响 2 2 1 化学成分的影响 本课题中的加工工件的材料是h 6 2 黄铜，它是含铜量6 0 5 6 3 5 、含z n 量3 8 左右的 铜锌二元合金，并附带微量的f c 、p b 、s b 、b i 、p 等杂质元素 ( 1 ) 杂质对塑性变形的影响 杂质虽然很微量，但对工件的塑性性能产生了重要影响杂质的影响是相对的，它有无有害 影响，不仅与杂质的性质及数量有关，而且与其存在状态以及杂质在金属基体中的分布情况和形 状有关影响h 6 2 黄铜塑性性能的杂质元素主要是铅、铋元素，它们在中低温时是有害的主要 是因为在中、低温时，铅、铋元素在4 和b 相中的溶解度很小，所以有一部分铅，铋析出而存在 晶界处形成低熔点物质，从而破坏热变形时晶间的结合力，产生热脆性但在口+ 两相黄铜中 则不同，由于铅、铋元素在b 相中的溶解度较大，这样。当高温时，发生一p 的相变使得分散 于晶界上的铅、铋元素由于溶入b 相内而进入晶内，此时的铅，铋元素不但对塑性变形无害，反 而还改善了h 6 2 黄铜的塑性性能 所以从上述分析中得出结论是，h 6 2 黄铜最有利于塑性变形的是口+ 组织 ( 2 ) 合金元素对塑性变形性能的影响 合金元素的加入，多数是为了提高合金的某种性能而人为加入的合金元素对金属材料塑性 的影响，取决于加入元素的特性、加入数量、元素之间的相互作用 h 6 2 黄铜的合金元素是z n ，z n 元素主导黄铜的强度由于z n 的含量比较适中，室温下是a + 8 双相组织，所以低温下的强度和塑性都还不错由于材料的成分已经固定，所以这一因素 对工件的塑性变形影响是固定不变的了 7 中国农业大学硕士论文第二章工件塑性变形性能分析 2 2 2 金相组织结构的影响 j 歇， v ( z n ) l 图0 2 1q a - z n 台盒相围 。h 6 2 黄铜是铜、锌二元合金，它随温度变化而呈现的金相组织的变化如图2 2 1 所示的z n j 2 u 合金相图z , n - c u 合金相图中有口、b 、矿、- f 、6 、s 、n 共七个基本的相，而与h 6 2 黄铜相关的 只有o ，b 、b 三种基本相 口相内存在着c u ，z n 和c u g z n 两个有序化合物，属于面c p 立方晶体结构，在常温下具有较 高的塑性，但n 相在中低温区存在温脆现象。b 相是以c u z a 为基的置换固溶体，属于面心立方 晶体结构，在高温下具有很高的塑性它只存在于高温状态下当温度降低时，它会发生1 - , 1 3 的相变b 属于体心立方晶体结构，在常温下具有良好的强度，但塑性很差 由图2 2 1 可知，根据h 6 2 黄铜的晶相组织的不同分为五温度个区域，与塑性变形有关的只 有三个温度区域，它们分别是： ( 1 ) 1 7 0 以下，h 6 2 黄铜属于旺+ b 双相组织 显然，室温时h 6 2 黄铜属于a + 1 3 双相组织在理论上，口相和b 相的含量处于一种平衡态， 但由于实际冷却条件下难以进行平衡结晶和转变，使b ，相的量多于平衡态，并且p 相分布于口相 之间而构成网状，再加之，1 3 相本身就是一个塑性很差的相，所以这对h 6 2 黄铜在该温度段的塑 性性能有一定的降低作用但是，这一温度段里，杂质在b 相中有一定的溶解度，大部分杂质元 素溶解于晶体内。所以杂质对这一温段的金属塑性影响很少，又对塑性性能有一定的提高综合 起来，塑性还是可以的 ( 2 ) 1 7 0 - - 7 3 0 之间，h 6 2 黄铜属于c t 单相组织。 8 中胃农业大学硬士论文第二章工件塑性变形性能分析 这一温度区域，虽然h 6 2 黄铜属于单相组织、而且又是面心立方晶体结构的a 相，应该说 塑性是相当好的，但是由于铅和铋在n 固溶体中溶解度很少，它们和少量的铜元素形成c u - p b ， c u - b i 低熔点的共晶体，呈网状分布于a 固溶体的晶界上当这类旺黄铜加热到共晶熔点以上时， 大约在3 0 0 ，c 左右。由于低熔点的共晶体溶化了，削弱了口晶粒之间的联系，因而很容易产生温 脆。这一现象在3 0 0 c 左右开始发生；在4 0 0 c 到5 5 0 之间最为严重，是室温以上的温度段里的 塑性最低段；在7 0 0 左右结束，如图2 3 1 所示 ( 3 ) 7 3 0 一9 之间，h 6 2 黄铜属于n + b 双相组织 在这一温度区，t t 6 2 黄铜发生了a + 口邙转变。在转变过程中，随着d 相数量的不断减少，p 相数量的不断增多，而原先分布在晶界上的铅、铋等有害杂质在b 相中的溶解度很大，这样使得 原来处于a 晶界上的铅和铋较多的溶于b 相，减弱了处在晶界上的铅、铋元素对黄铜塑性的降低 作用所以，对于h 6 2 黄铜在7 0 0 c 以上，黄铜的塑性得到了提高，口+ b 两相黄铜的塑性高于旺 单相黄铜。 根据上面的分析，再次说明h 6 2 黄铜的几种晶相组织中a + b 双相组织最适合塑性加工了， 所以最佳的加工温度段是7 0 0 c 8 5 0 c ，适合热加工的温度区域比较窄 2 3 外部因素对工件塑性变形性缝的影响 2 3 1 温度因素的影响 温度是通过影响金属内部的晶相组织以及晶粒度大小的变化来影响塑性变形性能的，一般来 说，温度升高，金属的塑性会提高，因为： ( 1 ) 温度升高。临界切应力降低，滑移系增加 ( 2 ) 温度升高，晶体发生了回复和再结晶 ( 3 ) 随温度升高，扩散蠕变机能增强 ( 4 ) 温度升高。原子动能增加 1 0 03 0 0 5 0 0 t 0 09 0 01 1 0 0 压缩温度( c ) 图2 3 1温度对黄铜塑性加工性能的影响嗍 但对于h 6 2 黄铜来说，金属的塑性并不是按照这种规律的。由于中低温段存在温脆效应， 9 军， 们 形 。 变0 中国农业大学硕士论文 第二章工件塑性变形性能分析 所以它是先增强。然后减弱，然后又增强，如图2 3 1 所示而且温度不能过高，温度高于9 0 0 时，即超过共晶温度时，境界迁移的速度会很快，9 晶粒会迅速长大，使合金塑性降低，压缩时 很容易开裂，而且铜合金组织中一旦出现粗晶粒，就不能像钢那样可以经过热处理的办法加以细 化所以，要尽量避免在9 0 0 以上的温度段进行加工 从图2 3 1 也可以很明显地看出，对于h 6 2 黄铜来说在6 5 0 c 以上的高温时的塑性要比低温 时的塑性要好，而且本课题的铜管是局部加工的，最好能利用加工部分与非加工部分的温度差来 造成强度差，而低温时不会造成加工区和未加工区的明显的温度差，所以低温加工没有高温加工 那么合理，因此这论证了本课题来为什么要采用热挤压工艺对于h 6 2 黄铜来说，热加工温度范 围非常窄，大约在6 5 0 c 到8 5 0 之间这对加热机构和终止压缩温度提出了很高的要求 2 3 2 变形速率的影响 变形速率是指单位时间内的应变，它不等于机器的工作速度，但在一定程度上又取决于机器 的工作速度变形速度对塑性的影响比较复杂当变形速度不大时，随变形速度的提高塑性是降 低的；而当变形速度较大时，塑性随变形程度的提高反而变好塑性变形时，很大的一部分变形 功转变成了热量，而这部分的热量使工件的温度上升，所以变形速度对塑性的影响实质上是变形 热效应在起作用，变形热有利于塑性变形，但同时，如果变形速率过高，则由于没有足够的时间 进行回复和再结晶，而使软化过程不充分而使塑性降低 从上面的分析可知，对于热加工，热变形时变形抗力小于冷加工时的变形抗力。产生的热效 应小，所以在热加工时利用高速度变形来提高塑性并没有什么意义因此，在热塑性变形的情况 下变形速率的选择取决于所想要的加工效率和加工质量一般压力加工的变形速度为o 8 3 0 0 秒 2 3 3 变形程度的影响 变形程度对塑性的影响，是同加工硬化及加工过程中伴随着塑性变形的发展而产生的裂纹倾 向联系在一起的在热塑性变形过程中，变形程度与变形温度及速度条件是相互联系又相互影响 的，当加工硬化与裂纹胚芽的修复速度大于发生速度时，可以说变形程度对塑性影响不大 试验研究表明，在热加工变形中采用分散变形可以使金属塑性提高所谓分散变形是指采用 多次小变形量的加工方法“1 它能提高塑性变形性能的原因是：由于在分散变形中每次所给予的 变形量都比较小，远低于塑性指标所以，在变形金属内所产生的应力也较小，不足以引起金属 的断裂同时，在各次变形的间隙时间内由于软化的发生，也使塑性在一定程度上得以恢复此 外，对其组织也有一定的改善 2 3 4 应力状态的影响 对于应力状态对塑性的影响，卡尔曼经典的大理石和红砂石试验给了我们一个结论，那就是： 在加工过程中尽可能让工件承受三向压应力状态，这样会显著提高工件的塑性变形性能“1 1 0 中国农业大学硕士论文 第二章工件塑性变形性能分析 从上面的结论，我们可以推导出：要想提高工件的塑性，工件的加工部分要尽可能完全封闭 在一个模腔里，这样就利用封闭的模腔使工件在变形的过程中尽可能承受三向压应力这为后面 的模具设计提供了指导思想。 2 3 5 摩擦力的影响 摩擦力是影响塑性变形的另一重要外界因素，它主要产生以下影响： ( 1 ) 使塑性变形抗力增大。从而降低工件的塑性变形性能 ( 2 ) 使材料在压缩过程容易产生受力的不均匀性，从而容易产生变形死区。 此外，它还有许多不利的影响，例如加速模具的磨损、降低产品的质量、使加工后的工件脱 模困难、容易使加工后的工件产生附加应力等所以摩擦力对工件的塑性变形性能、加工后工件 的质量、模具的寿命、加工时的能量消耗等都有很大影响，必须对摩擦力进行有效的控制，使之 尽量有利于工件的加工 2 4 小结 从上面的各种因素的分析中可以知道，为了尽可能地提高工件的塑性变形性能，我们应当采 取以下措施： ( 1 ) 选用最佳的加工温度范围为7 0 0 c 8 5 0 c 因为在这个温度段里，既消除了杂质元素 对塑性变形的影响，是工件塑性最好的温度段；还可以充分得到最佳的金属晶粒，改善组织结构， 提高工件的塑性和加工后工件的强度；此外还符合工件局部变形所要求形成温度差的要求 ( 2 ) 选择较高的变形速率由于工件的尺寸小，又属于热加工，所以变形速率对塑性的影 响较小，变形速率的选择就取决于加工效率和加工质量。这里由于黄铜的传热系数高，热加工温 段又比较窄，所以尽可能选择较高的变形速率，以减少温度的下降 ( 3 ) 尽可能让工件的加工部分完全封闭在模具的模腔中加工，以构成三向压应力状态。 ( 4 ) 尽可能使工件受力均匀而平稳。这样可以使应力状态得以改善，防止应力集中或突变 而出现缺陷，所以要保证挤压力的均匀性，尤其要保证加热后的工件在同一截面上的温度均匀性 很重要这就要求加热的均匀性以及要对模具进行预热，以减少对工件的激冷作用 ( 5 ) 选择良好的润滑剂所选润滑剂要能够在高温下不但要保持良好的润滑性能，最好还 能够形成一层薄膜覆盖在工件上，从而很好地防止工件氧化，减少工件的传热损失 这些就是对塑性变形影响因素分析后的结论，它们对后面的方案设计和机械设计提供非常重 要的理论依据和参数依据 中国农业大学硕士论文第三章管壁回缩增厚的加工机构方案设计 第三章管壁回缩增厚的加工机构方案设计 3 1 引言 由前面章节我们确定了用热挤压的方法来实现加工的目的。这就要求我们将工件的加工部分 加热到一定的温度。同时要阻止不如工部分的温度升高，使加工部分的温度高出不加工部分很多 倍，从而使加工部分的强度远远低于未加工部分；这样，我们再通过模具只将工件的加工部分封 闭在模腔里，在挤压力的作用下，根据塑性变形的最小阻力原理。即金属永远朝阻力最小的地方 流动，可以知道，强度低的地方始终是先变形的，而且变形大，强度高的地方不变形或变形小， 这样的话，就可以实现加工部分沿模具的模腔变形，而未加工部分保持原来的形状不变，从而实 现管壁的回缩增厚这就是本课题的加工原理 机械机构方案设计的依据就是上面的基本原理和前面提到的总体方案。对于一个完整的自动 化机械机构方案肯定包括以下四大部分： ( 1 ) 驱动器部分它的作用就是将其它能量变换为机械能。是驱动整部机器的动力源。 ( 2 ) 传动部分。把驱动器的运动和动力转变为工作部分的运动和动力 ( 3 ) 工作机部分。其功能是利用从驱动器传来的机械能将工件加工成预定的形状。对于挤 压加工工艺来说，工作机部分就是挤压模具。 ( 4 ) 附属机构。这里的附属机构包括加热器、夹具，送料机构对于热挤压加工来说，加 热器在整个系统中起着很大的作用，是必不可小的。 要想确定整个机械机构的结构方案，必须先确定这四大部分的各自方案 3 2 驱动器方案选择 当今工业领域里常用的驱动方案有以下三种： ( 1 ) 液压驱动 优点是可以很方便地用一套液压机实现多个器件的驱动，产生的驱动力也较大；缺点是反应 慢，位移精度不高，而且不太方便用微机控制。 ( 2 ) 常规电机驱动 优点是产生的驱动力大，价格便宜；缺点是不能实现快速起停，停止时没有自锁性，它的驱 动力受外界电压的影响较明显，不便于用微机控制 ( 3 ) 步进电机驱动 优点是如下：一是输出角位移量或线位移量与其输入的脉冲数成正比，而转速或线速度与脉 冲的频率成正比。在负载能力范围内这些关系不受电压的大小、负载的大小及环境条件等外界各 种因素的干扰；二是它每转一周都有固定的步数，所以步进电动机在不失步的情况下运行时其步 距误差不会长期积累；三是控制性能好。它可以在开环系统中在很宽的范围内通过改变脉冲的频 率来调节电机的转速并且能够快速启动、制动和反转；四是步进电动机在停止或断电的情况下具 有自锁能力，不需要机械制动装置当采用速度和位置检测装置后它可构成闭环控制系统。因此 便于用微机控制，位移精度高。缺点是价格稍微昂贵了一点，带负载能力不强，容易共振 1 2 中国农业大学硕士论文第三章管壁回缩增厚的加工机构方案设计 由于本课题的加工工件是小型件，而且是热加工，所以所需的驱动力小；再考虑到控制的方 便性和精确性，并结合上面三种驱动方案的特点，无疑采用步进电机来驱动是最佳方案。对于步 进电机来说又分为两类，一类是旋转式步进电机；一类是直线步进电机。直线步进电机不但具备 步进电机所有的优点，而且由于不需要中间力的转化过程就可以实现直线往复移动，可以大大提 高机械效率，简化机械机构，因此广泛运用于直线驱动领域。但直线电机的价格比较昂贵，这是 目前直线电机运用的一大阻碍 这里各器件的驱动器是选步进电机还是直线电机，要根据该器件运动特点、对整体结构的影 响以及成本上综合权衡后才能作一个决定 3 3 加热方案选择 在工业生产中，常见的有以下几种加热方法： ( 1 ) 火焰加热 这种加热方法设备简单、能源来源广泛，成本较低；但缺点是，温度不易控制，加热不均匀， 加热质量不好，而且容易污染环境，热效率比较低。 ( 2 ) 电热炉加熟 它是通过在导体上通以电流，然后由于导体电阻的存在而产生热效应加热这种加热方法设 备也比较简单，温度容易控制，但很难做到局部加热，所以此方法不适合。 ( 3 ) 辐射加热 利用物体吸收光能使温度升高的办法加热这种方法缺点是设备太复杂、成本太高、热效率 比较低、加热速度慢。 ( 4 ) 电磁感应加热 这种加热方法是利用电磁感应原理来加热工件的，通过在工件截面上产生感应电流，由于工 件本身存在电阻，所以产生内热。此种加热方式加热效率高、速度快，加热后工件表面温度分布 较为均匀，工件的氧化层薄，可以实现局部加热，容易控制加热部位和加热温度及深度，加热工 件质量好，热效率高，无污染等一系列突出优点，但也有一些缺点，只能加热导体 由前一章的分析可知，工件加热的均匀性对工件的塑性性能有重大影响，而且要实现局部加 热通过这些要求，再考虑到本课题中的工件是黄铜材料，是电的良导体，非常适合用电